X5230普通铣床数控化改造

摘 要 本文主要对 X5230 普通铣床进行改造，首先分析铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，运动和动力参数；根据主参数和改造要求进行主运动系统、进给系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构改造及滚珠丝杠和步进电机的选型和校核；对于控制系统由于这里的改造要求是经济型数控铣床，所以采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性价比的 MCS-51 系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计。关键词： 数控技术；普通铣床；硬件电路；开环控制Abstract This article mainly carries on the transformation to the X5230 general milling machine, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the transformation of requirements, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design .Key words: Numerical control technology；General milling machine；Hardware circuit；Open-loop control目 录1 绪 论 11.1 引言11.2 国内外研究的现状11.3 本文的选题及主要研究内容21.3.1 本文的选题21.3.2 主要研究内容22 X5230 铣床总体改造方案及机械部分设计32.1 设计要求32.1.1 设计基本思路32.1.2 设备改造前后性能指标42.2 改造方案的确定52.2.1 改造目的.52.2.2 总体方案设计52.3 传动系统改造设计与计算62.3.1 纵向进给系统的改造设计与计算62.3.2 横向进给系统的改造设计与计算122.3.3 垂向进给系统的改造设计与计算162.3.4 主轴的改造设计212.4 步进电机的选择212.4.1 纵向进给系统步进电机的确定212.4.2 横向进给系统步进电机的确定222.4.3 垂向进给系统步进电机的确定233 X5230 数控铣床硬件电路设计243.1 概述243.2 控制系统硬件基本组成243.3 控制系统设计253.4 坐标运动系统313.5 电源333.6 控制台353.6.1 CNC 装置的工作过程353.6.2 CNC 装置的主要功能363.7 其他辅助系统393.7.1 铣床的冷却和温度控制393.7.2 工件切削冷却404 MCS-51 系列单片机简介404.1 单片机的选择404.2 存储器芯片的选择424.3 I/O 接口芯片选择425 控制系统选型设计435.1 主控微机 8031 的性能特点455.2 键盘和显示器接口.465.3 操作按钮的设置及操纵面板485.4 固态继电器的控制接口电路496 X5230 数控铣床软件设计506.1 各软件流程图506.1.1 管理软件的设计516.1.2 控制软件的设计526.2 逐点比较插补法的软件设计526.2.1 逐点比较法直线插补536.2.2 逐点比较法圆弧插补546.2.3 逐点比较法的速度分析556.2.4 逐点比较法的象限处理566.3 铣刀半径补偿的方法576.4 棱角过渡处理及尝试62参考文献 64结 论65外文资料 66中文译文 69致 谢711 绪 论 1.1 引言现在数控机床的应用越来越广泛，与普通机床相比，数控机床采用计算机控制，自动化程度高，加工精度好，对于单件小批量及形状复杂零件的加工尤为合适。目前，设备数控化程度的高低已经直接影响到了企业的生存。拥有大量普通机床的工厂，正面临着巨大的挑战。这些厂家效益不好的主要原因，一方面是大量普通机床闲置造成浪费，另一方面是没有足够的资金购买新的数控设备。因此，投入较少的资金，把原有机床进行升级改造，使之变成数控机床，就成了解决问题的最好办法。现在，机床的改造，特别是把普通机床改造成经济型数控机床，已成为企业设备投资的重要组成部分。而在数控机床改造中，由于经济型数控机床具有优良的性价比，因此很有市场前景，同时适合我国国情。据此，我们将在普通铣床的基础上进行数控化改造。这样将普通铣床发展成为经济型数控铣床，既节省资金，缩短开发周期，又可以满足加工要求，减轻工人劳动强度，提高工作效率。将 X5230 普通铣床改造为数控铣床，在设计上，我们主要从主轴、传动系统、电气、头架以及工作台等方面着手进行改进，同时尽量保持 X5230 原有的结构及零件。1.2 国内外研究的现状由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控改造使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床。使用单片机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。在美国、日本等发达国家，机床改造被称为新的经济增长行业，春意盎然，正处在黄金时代。我国的机床改造业，也从老行业进入到以数控技术为主的新行业，机床改造业称为机床再生业。同购置新机床相比，一般可以节省 60%80%的费用。现在原有的普通机床已越来越不能适应目前市场竞争激烈、高效率和多变的要求，所以，数控机床已越来越受到市场的青睐。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。数控机床加工零件不仅效率高，能多变，而且，只需对程序进行修改，就可以满足客户的加工能力要求。但为了节省资金，不淘汰原有的普通机床设备，对旧机床加以改造。这样既可节约成本，又能获得数控机床的性能，满足生产的需要。近年来，随着对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其精度高、效率高和工人劳动强度低等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备。1.3 本文的选题及主要研究内容 1.3.1 本文的选题 目前，在机械加工企业中，有许多旧式普通铣床，为了让机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工需求，充分利用普通铣床，就需要对普通铣床进行数控化改造。因此，本文的选题是对普通铣床进行数控化改造。机床数控化改造是提高我国机床数控化程度的主要手段之一，到现在已有 20 多年的历史，取得了不少经验，但也走了许多弯路。其中失败的原因主要是机床数控化改造工艺不完善，如：机床改造以前没有进行可行性分析或只定性分析；所设计或选择的数控系统性能不稳定；机床的关键部件选择不合理及接口设计电路不合理等。目前数控化改造大都局限在中、小型铣和车床上。1.3.2 主要研究内容 对普通铣床进行数控化改造，主要有以下几种方法：第一种是以微机作为控制元件，通过对机床的进给系统进行改造，采用步进电机开环控制系统；第二种是以可编程控制器作为控制元件，替代机床继电器和接触器组成的电气控制部分，这样可提高机床电气控制系统的可靠性；第三种方法是采用数控设备来控制机床的伺服进给系统，其伺服进给为步进电机开环控制系统。本机床的数控化改造分两部分进行：一是维修机械部分，更换、修理磨损的零件，调整基础零件，恢复和提高机床精度和性能。如：主要提高机床基础件的几何精度和主轴系统的旋转精度等；选配数控系统，改造成 CNC 机床。1进给系统的改造设计从强度、效率、刚度和稳定性等方面对纵、横向进给系统分别进行计算，进而选择纵、横、垂向滚珠丝杠；从转动惯量、转动力矩、最大静转矩和频率等方面对纵、横、垂向步进电机分别进行计算，进而选择纵、横、垂向步进电动机；通过设计计算选择纵、横、垂向步进电机和滚珠丝杠之间配套的减速齿轮。此减速齿轮自行设计制造。2主传动系统的改造设计为降低改装的费用，保持机床的原有精度，主传动系统基本不变，保持原机床的手动变速，改造后使主运动和进给运动分离，数控系统只用于控制主轴的起、停、升、降和正、反转及冷却液的开、关。主传动系统仍采用原电动机驱动，只是将主轴改装成由步进电机经滚珠丝杠带动的可升降主轴。二是电气部分的改造，机床的主轴、冷却、风扇等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除电控箱，原位安装改造后的电控箱。数控机床开机后需回参考点操作，可在合适的位置设置接近开关。返回参考点过程中收到开关信号减速停止，在此位置即为参考点位置。在加工过程中防止工作超程，在 X、Y、Z 轴正负极限位置也设置相应的接近开关进行超程保护。2 X5230 铣床总体改造方案及机械部分设计 2.1 设计要求2.1.1 设计基本思路普通机床进行数控化改造后，系统应能控制主轴启停、升降并实现其正反转；控制工作台应能实现纵向、横向和垂直方向的进给运动；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等。1数控部分机床中的主轴、冷却、润滑、风扇等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除原电控箱，原位置安装改装后的电控箱。2机械部分X5230普通铣床，主要用于加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、台阶平面等，改造后的机床要求具有自动加工方式。2.1.2 设备改造前后性能指标1设备改造前技术参数X 轴最大行程 mm 550Y 轴最大行程 mm 320Z 轴最大行程 mm 120工作台垂直行程 mm 380主轴端工作台距离 mm 40420主轴中心到机身距离 mm 170760主电机功率 Kw 1.5kw主轴孔锥度 mm R8控制方式 人工改造前，设备的操作必须由工人控制完成，无法进行自动加工。由于设备老化，加工精度已降低，而且维护费用、故障率都居高不下。2设备改造后技术参数X 轴最大行程 mm 550Y 轴最大行程 mm 320Z 轴最大行程 mm 120工作台垂直行程 mm 380主轴端工作台距离 mm 40420主轴中心到机身距离 mm 170760主电机功率 Kw 1.5kw主轴孔锥度 mm R8X 轴脉冲当量 mm 0.01Y 轴脉冲当量 mm 0.01Z 轴脉冲当量 mm 0.005重复定位精度 mm 0.01控制方式 程序控制改造后，设备的操作改由单片机控制，实现了自动化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同时，使设备的故障率明显降低，维护费用也减少了。工人的劳动强度也跟着减轻，而工作效率得到了极大的提高，从前一些无法加工的工件，现在也可以加工了。例如，可以进行直线和圆弧插补计算等。通过改造设备，使普通铣床的加工范围得到了提高。2.2 改造方案的确定 2.2.1 改造目的 企业要在当前竞争激烈的市场环境中生存和发展，就必须能够迅速地更新和开发出新产品，以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求。相比较而言， 普通机床已不适应市场对多品种、小批量零件的生产加工要求， 而数控机床是综合了微电子、计算机、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床， 最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件及加工程序，就可以满足加工要求，因此能很好地适应产品频繁变化的需要。改造的目的主要有以下几个方面：1节约资源，降低加工成本。利用原来的普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化程度。2实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，从而有效提高零件加工精度，减小尺寸分散度，使装配容易，不需要再修配。3实现加工的自动化和柔性化，效率可比普通机床提高三到七倍。4降低工人的劳动强度，节省劳动力，减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，并可以对市场作出快速反应。2.2.2 总体方案设计普通铣床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大， 主要传动零件几经更换和调整，故障率居高不下，采用传统的修理方法很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择改造方案是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。因此，用来进行改造的机床最好是七八成新的机床。总体方案设计如下：1将进给机构的丝杠、操作杠全部拆除，纵、横、垂向进给系统的传动部分改由步进电机经滚珠丝杠直接带动；2将主轴电机的启、停、正反转改由数控系统控制。2.3 传动系统改造设计与计算 2.3.1 纵向进给系统的改造设计与计算1改造参数（如表2-1所示）： 表2-1 改造参数工作台工作面积 mm 1220300X 轴最大行程 mm 550Y 轴最大行程 mm 320Z 轴最大行程 mm 120工作台垂直行程 mm 380主轴端工作台距离 mm 40420主轴中心到机身距离 mm 170760主电机功率 Kw 1.5kw主轴孔锥度 mm R8X 轴脉冲当量 mm 0.01Y 轴脉冲当量 mm 0.01Z 轴脉冲当量 mm 0.005重复定位精度 mm 0.01电源 V/Hz 380/502铣削力的计算 GL图2-1 纵向进给系统计算图纵向进给系统的计算图如图 2-1 所示。根据简明铣工手册 ，对高速钢圆柱铣刀，铣削力的计算公式为：Fz=9.81CFzapxffzyfaeufzKF/d0qf(60n)wf式中：C Fz系数，其值取决于切削条件和工件材料。当工件为碳钢时，根据简明铣工手册表 3-13，取 CFz=65，a e=4mm；fz每齿进给量，取 fz=0.1mm；ap背吃刀量， 取 ap=30mm；z铣刀齿数， 取 z=4；d0铣刀直径， 取 d0=27mm；n铣刀转数；xf、yf、uf 及 wf公式中各个参数的指数；KF切削条件改变时，切削力的修正系数。其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。由已知条件，取 xf=1.0、yf=0.72 、uf=0.86 、wf=0 、qf=0.73，加工碳钢时，b=637Mpa，其修正系数 KF 由简明铣工手册表 3-14 得：KF=（ vb /673） 0.3=（637/673）=1，F z=4313N用圆柱铣刀进行逆铣加工时：水平铣削分力 PH=（11.2）F z，取 PH=1.1 Fz垂直铣削分力 PV=（0.20.3）F z，取 PV=0.25 Fz轴向分力 P0=（0.350.4）F z，取 P0=0.375 Fz由此可算出：轴向铣削力 P0=0.3754313=1.617（kN） ；周向铣削力 P= Fz（P H2+PV2） 1/2=4313（1.1 2+0.252） 1/2=4.865（kN）3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 强度校核计算根据机床设计手册 ，燕尾形导轨工作时轴向力 Pm 为：Pm=kPx+f(P y+Pz+G)式中：k考虑颠覆力矩影响的系数，取 1.4；f导轨上的摩擦系数，取 0.2；Px、P y、P z切削分力，Px=2P/3=（2/3 ）4.865=3.243（kN） ，Py=0，P z= P0=1.617（kN） 。G工作台重量，G=809.8=784=0.784 （kN） 。由此可得：Pm=1.43.243+0.2（1.617+0.784 ）=4.54+0.48=5.02（kN）寿命值为：L=60NT=60101500=9105（r ）式中：L工件寿命（r ） ；N滚珠丝杠的转速（r/min） ；T使用寿命时间（h） ，数控机床一般为 1500h；fH滚珠丝杠工作载荷，f w=1.2、f H=1.1。最大负荷为：C=L1/3fHfWPm=(9105)1/31.21.15.02=6.37（kN）初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷 C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷 C0a 是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷 fh，一般使 C0a/Pm=23。根据最大动载荷 C 的值，可查表选取滚珠丝杠的型号，如选用 CDM3206-5（表示外循环插管式双螺母垫片预紧，公称直径 Dm 为 32mm，基本导程为 6mm，螺纹旋向为右旋） ，其 Ca 的值为 22.78kN，所以强度足够。 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为：=tan/tan（+ ）丝杠螺旋升角 =325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：=tan325/ tan335= tan3.41/ tan3.58=0.0596/0.0625=0.95 滚珠丝杠螺母副的选型a.丝杠的导程和转速 电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为 。丝杠转速：强力切削30r/min，一般min/5axVmPh6切削50r/min，精细车削60r/min，快移80r/min。b当量载荷和当量转速 1021qnnm min/5.3108563530 rNnqFnqFmm2730 105.36105.3215.3 231 c. 初选滚珠丝杠副 查表可采用型号为CDM3206-5，即为滚珠外循环插管埋入式反向器，双螺母垫片预紧的滚珠丝杠副。d 0=32mm，P h=6mm。额定动负荷为22.78kN，大于算出的C值，精度等级选3 级。 ，预紧力F P=0.25Ca=4.5kN。大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。d. 丝杠螺纹部分长度LuLu等于工作台最大行程（550mm）加螺母长度（150mm） ，再加上两端余量（40mm） 。Lu=550+150+40 2=780mm。e. 支撑跨距L 1L1应略大于Lu，取为L 1=900mm。f. 临界转速 rcn=rcnczLdf290mDdw42查机床设计手册 ，可知一端固定，一段游动时，f 2=3.93LC= 105310815Nncr 64.932maxncr一端固定，一端游动时，丝杠一般不会受压，故不需要压杆进行压杆校核。g. 预拉伸计算(a) 温升引起的伸长量 ，设温升为 ，则螺线部分伸长量为：tC5.3mLut 40.1016丝杠全长的伸长量 为：ct 5为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.04/1.30mm。丝杠在安装时，进行预拉伸。拉伸量为0.05mm。(b) 预拉伸力F t，根据材料力学欧拉公式： NLAEFut154930h. 轴承的选择根据机床设计手册图3.721选用深沟球轴承，轴承型号采用6204，d=20 ， D=47，B=14。（a）预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 NFt18274max故符合要求。（b）疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按式（3.82）计算 PfKCnNlph0考虑到数控机床本身的特点，上式中系数K pKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft- ，两者机会2Fm均等。故取其平均值P=Ft 。当量转速n m=53.5r/min，故f n=0.932，如轴承寿命为15000h，则f h=3.11，C C= N516984392.01可以看出，6204型号的轴承额定动负荷69500N够用， 。所以可以选轴承型号为6204。 刚度验算滚珠丝杠副工作负载F m引起的导程变化量EALm01式中 L0=6mm，弹性模量 ，工作负载F m=1594N，滚珠丝26/10.2cNE杠截面积265.19cd则： cL6103.2滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量 引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。4减速齿轮副的设计初选脉冲当量 p=0.01mm，步进电动机步距角 b=0.72，丝杠螺距 L0=6mm所求减速比:i= Z2/ Z1=bL0/（360 p）=0.726/(3600.01)=1.2减速齿轮副的设计:此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于 1.52mm，因此，减速齿轮模数取为 m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角 =20，齿顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.25。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取 Z1=20，故 Z2= Z1i =201.2=24，取 Z2=24。因此，齿轮 1 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=202=40mm齿顶圆直径：d a1=m（Z 1+2 ha*）=2（20+21 ）=44mm齿根圆直径：d f1=m（Z 1 2 ha*2c*）=2 （202120.25）=35mm基圆直径：d b1= d1cos=40cos20=37.59mm节圆直径：d 1= d b1/cos=37.59/cos20=40.002mm齿轮 2 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=242=48mm齿顶圆直径：d a2=m（Z 2+2 ha*）=2（24+21 ）=52mm齿根圆直径：d f2=m（Z 2 2 ha*2c*）=2 （242120.25）=43mm基圆直径：d b2= d2cos=48cos20=45.11mm节圆直径：d 2= d b2/cos=45.11/cos20=48.01mm2.3.2 横向进给系统的改造设计与计算 横向进给系统计算图如图 2-2 所示。 GL图2-2 横向进给系统计算图1滚珠丝杠螺母副的计算和选型强度校核计算根据机床设计手册 ，燕尾形导轨工作时轴向力 Pm 为：Pm=kPx+f(P y+Pz+G)式中：k考虑颠覆力矩影响的系数，取 1.4；f导轨上的摩擦系数，取 0.2；Px、P y、P z切削分力，Px=2P/3=（2/3 ）4.865=3.243（kN） ，Py=0，P z= P0=1.617（kN） 。G工作台重量，G=1009.8=980=0.98 （kN） 。由此可得：Pm=1.43.243+0.2（1.617+0.98 ）=4.54+0.52=5.06（kN）寿命值为：L=60NT=60101500=910 5（r ）式中：L工件寿命（r ） ；N滚珠丝杠的转速（r/min） ；T使用寿命时间（h） ，数控机床一般为 1500h；fH滚珠丝杠工作载荷，f w=1.2、f H=1.1。最大负荷为：C=L1/3fHfWPm=(9105)1/31.21.15.06=6.45（kN）初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷 C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷 C0a 是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷 fh，一般使 C0a/Pm=23。根据最大动载荷 C 的值，可查表选取滚珠丝杠的型号，如选用 CDM3206-5（表示外循环插管式双螺母垫片预紧，公称直径 Dm 为 32mm，基本导程为 6mm，螺纹旋向为右旋） ，其 Ca 的值为 22.78kN，所以强度足够。 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为：=tan/tan（+）丝杠螺旋升角 =325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：=tan325/ tan335= tan3.41/ tan3.58=0.0596/0.0625=0.95滚珠丝杠螺母副的选型丝杠的导程和转速 电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为 。丝杠转速：强力切削30r/min，一般min/5axVmPh6切削50r/min，快移80r/min。b当量载荷和当量转速 1021qnnm min/5.310856013503 rNnqFFmm2730 105.36105.32015.3 22 c. 初选滚珠丝杠副 查表可采用型号为CDM3206-5，即为滚珠外循环插管埋入式反向器，双螺母垫片预紧的滚珠丝杠副。d 0=32mm，P h=6mm。额定动负荷为22.78kN，大于算出的C值，精度等级选3 级。 ，预紧力F P=0.25Ca=4.5kN。大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。d. 丝杠螺纹部分长度LuLu等于工作台最大行程（320mm）加螺母长度（150mm） ，再加上两端余量（40mm） 。Lu=320+150+40 2=550mm。e. 支撑跨距L 1L1应略大于Lu，取为L 1=700mm。f. 临界转速 rcn=rcnczLdf290mDdw42查机床设计手册 ，可知一端固定，一段游动时，f 2=3.93LC= 105310815Nncr 64.932maxncr一端固定，一端游动时，丝杠一般不会受压，故不需要压杆进行压杆校核。g. 预拉伸计算(a)温升引起的伸长量 ，设温升为 ，则螺线部分伸长量为：tC5.3mLut 40.1016丝杠全长的伸长量 为ct53.61为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.04/1.30mm。丝杠在安装时，进行预拉伸。拉伸量为0.05mm。(b)预拉伸力F t，根据材料力学欧拉公式： NLAEFut154930h. 轴承的选择根据机床设计手册图3.721选用深沟球轴承，轴承型号采用6204，d=20 ， D=47，B=14。(a)预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 NFt18274max故符合要求。(b)疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按下式计算 PfKCnNlph0考虑到数控机床本身的特点，上式中系数K pKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft- ，两者机会2Fm均等。故取其平均值P=Ft 。当量转速n m=53.5r/min，故f n=0.932，如轴承寿命为15000h，则f h=3.11，CC= N516984392.01可以看出，6204型号的轴承额定动负荷69500N够用， 。所以可以选轴承型号为6204。 刚度验算滚珠丝杠副工作负载F m引起的导程变化量 EALFm01式中 L0=6mm，弹性模量 ，工作负载F m=1594N，滚珠丝26/.2cN杠截面积265.19cdA则： cL6103.2滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量 引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。2减速齿轮副的设计初选脉冲当量 p=0.01mm，步进电动机步距角 b=0.72，丝杠螺距 L0=6mm所求减速比: i= Z 2/ Z1=bL0/（360 p）=0.726/(3600.01)=1.2减速齿轮副的设计:此处减速齿轮模数取为 m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角 =20，齿顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.25。取 Z1=20，故 Z2= Z1i =201.2=24，取Z2=24。因此，齿轮 1 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=202=40mm齿顶圆直径：d a1=m（Z 1+2 ha*）=2（20+21 ）=44mm齿根圆直径：d f1=m（Z 1 2 ha*2c*）=2 （202120.25）=35mm基圆直径：d b1= d1cos=40cos20=37.59mm节圆直径：d 1= d b1/cos=37.59/cos20=40.002mm齿轮 2 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=242=48mm齿顶圆直径：d a2=m（Z 2+2 ha*）=2（24+21 ）=52mm齿根圆直径：d f2=m（Z 2 2 ha*2c*）=2 （242120.25）=43mm基圆直径：d b2= d2cos=48cos20=45.11mm节圆直径：d 2= d b2/cos=45.11/cos20=48.01mm2.3.3 垂向进给系统的改造设计与计算 垂向进给系统计算图如图 2-3 所示。图2-3 垂向进给系统计算图1滚珠丝杠螺母副的计算和选型强度校核计算根据机床设计手册 ，燕尾形导轨工作时轴向力 Pm 为：Pm=kPx+f(P y+Pz+G)式中：k考虑颠覆力矩影响的系数，取 1.4；f导轨上的摩擦系数，取 0.2；Px、P y、P z切削分力，Px=2P/3=（2/3 ）4.865=3.243（kN） ，Py=0，P z= P0=1.617（kN） 。G工作台重量，G=3009.8=2940=2.940 （kN） 。由此可得：Pm=1.43.243+0.2（1.617+2.940 ）=4.54+0.91=5.45（kN）寿命值为： L=60NT=60101500=910 5（r ）式中：L工件寿命（r ） ；N滚珠丝杠的转速（r/min） ；T使用寿命时间（h） ，数控机床一般为 1500h；fH滚珠丝杠工作载荷，f w=1.2、f H=1.1。最大负荷为：C=L1/3fHfWPm=(9105)1/31.21.15.45=6.95（kN）初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷 C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷 C0a 是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷 fh，一般使 C0a/Pm=23。根据最大动载荷 C 的值，可查表选取滚珠丝杠的型号，如选用 CDM4006-5（表示外循环插管式双螺母垫片预紧，公称直径 Dm 为 40mm，基本导程为 6mm，螺纹旋向为右旋） ，其 Ca 的值为 25.13kN，所以强度足够。 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为：=tan/tan（+ ）丝杠螺旋升角 =325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：=tan325/ tan335= tan3.41/ tan3.58=0.0596/0.0625=0.95 滚珠丝杠螺母副的选型a. 丝杠的导程和转速 电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为 。丝杠转速：强力切削30r/min，一般min/5axVmPh6切削50r/min，快移80r/min。b当量载荷和当量转速 1021qnnm min/5.3108563530 rNnqFnqFmm2730 105.36105.3215.3 231 c. 初选滚珠丝杠副 查表可采用型号为CDM4006-5，即为滚珠外循环，插管埋入式反向器，双螺母垫片预紧。d 0=40mm，P h=6mm。额定动负荷为25.13kN ，大于算出的C值，精度等级选3 级。预紧力F P=0.25Ca=4.5kN。大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。d. 丝杠螺纹部分长度LuLu等于工作台最大行程（380mm）加螺母长度（150mm） ，再加上两端余量（40mm） 。Lu=380+150+40 2=610mm。e. 支撑跨距L 1L1应略大于Lu，取为L 1=700mm。f临界转速 rcn=rcnczLdf2910mDdw42查机床设计手册 ，可知一端固定，一段游动时，f 2=3.93LC= 105310815Nncr 64.932maxncr一端固定，一端游动时，丝杠一般不会受压，故不需要压杆进行压杆校核。g. 预拉伸计算(a) 温升引起的伸长量 ，设温升为 ，则螺线部分伸长量为：tC5.3mLut 401016丝杠全长的伸长量 为ct53.61为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.04/1.30mm。丝杠在安装时，进行预拉伸。拉伸量为0.05mm。(b) 预拉伸力F t，根据材料力学欧拉公式： NLAEFut154930h. 轴承的选择根据机床设计手册图3.721选用深沟球轴承，轴承型号采用6009，d=45 ， D=75，B=16。(a)预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 NFt18274max故符合要求。(b)疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按式（3.82）计算 PfKCnNlph0考虑到数控机床本身的特点，上式中系数K pKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft- ，两者机会2Fm均等。故取其平均值P=Ft 。当量转速n m=53.5r/min，故f n=0.932，如轴承寿命为15000h，则f h=3.11，CC= N516984392.01可以看出，6009型号的轴承额定动负荷69500N够用。所以可以选轴承型号为6009。 刚度验算滚珠丝杠副工作负载F m引起的导程变化量： EALFm01式中 L0=6mm，弹性模量 ，工作负载F m=1594N，滚珠丝26/.2cN杠截面积： 205.19d则： cL613.2滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量 引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。2减速齿轮副的设计初选脉冲当量 p=0.005mm，步进电动机步距角 b=0.72，丝杠螺距 L0=6mm所求减速比:i= Z2/ Z1=bL0/（360 p）=0.726/(3600.005)=2.4减速齿轮副的设计:此处减速齿轮模数取为 m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角 =20，齿顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.25。取 Z1=20，故 Z2= Z1i =202.4=48，取Z2=48。因此，齿轮 1 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=202=40mm齿顶圆直径：d a1=m（Z 1+2 ha*）=2（20+21 ）=44mm齿根圆直径：d f1=m（Z 1 2 ha*2c*）=2 （202120.25）=35mm基圆直径：d b1= d1cos=40cos20=37.59mm节圆直径：d 1= d b1/cos=37.59/cos20=40.002mm齿轮 2 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=482=96mm齿顶圆直径：d a2=m（Z 2+2 ha*）=2（48+21 ）=100mm齿根圆直径：d f2=m（Z 2 2 ha*2c*）=2 （482120.25）=91mm基圆直径：d b2= d2cos=96cos20=90.21mm节圆直径：d 2= d b2/cos=90.21/cos20=95.999mm2.3.4 主轴的改造设计由于垂直进给系统可完成铣床垂直方向的运动，本次主轴的改造，我们将主轴的启动、停止和正反转改由数控系统控制，主轴电机和结构不作改变。2.4 步进电机的选择 2.4.1 纵向进给系统步进电机的确定 1等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量：J =J1+(z1/z2)2( J2+ Js)+(pM/2)式中 J M 步进电机转子转动惯量， kgcm2 ;J1 ， J2 齿轮z 1 ，z 2 的转动惯量，kg cm2 ;J s 滚珠丝杠转动惯量，kg cm2 。参考同类机床，初选混合式步进电机110BYG ，其转子转动惯量：J M = 4.6 kgcm2 ，J1 = 0.77 10-8d41 L1 = 0.32 g cm2 ，J2 = 0.7710-8d42 L2 = 0.72 kgcm2 ，JS=7.3510-3 1.1 104= 80.85kg cm2 ，又p=6mm，M = 700 N ，得： J = 95.33kgcm22电机力矩计算机床在不同的工况下，所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:快速空载起动所需力矩M q最大转数n max=500 r/min起动加速时间t a = 25 ms加速力矩M amax = J nmax /（9.6t a) =1.979 Nm折算到电机轴上的摩擦力矩 M f=F0p/2i=0.574N m附加摩擦力矩M 0 = Famaxp/2i（1- 02）= 0.908 N m则： Mq = Mamax + Mf